بررسی آزمایشگاهی آبشستگی ناشی از جت‌های دیواره‌ای آشفته در آب جاری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران.

2 گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه لیکهد، ثاندربی، کانادا.

چکیده

در مطالعه حاضر توسعه آبشستگی در اثر جت‌های‌ دیواره‌ای وارده در آب جاری در قوس 90 درجه مورد بررسی قرار گرفت. برای مطالعه تاثیر جریان‌های ثانویه، دو موقعیت برای جت در دیواره خارجی در نظر گرفته‌شد (1) شروع قوس (o0) و (2) انتهای قوس (o90). پارامترهای مطالعه شده عبارت‌اند از: عدد فرود فلوم (Ff)، عدد رینولدز جت (Rj) و نسبت استغراق جت (H/do). نتایج نشان داد تحت تاثیر جریان در فلوم، مسیر جت و پروفیل آبشستگی به سمت جریان فلوم انحراف پیدا می‌کنند. با افزایش Rj، ارتفاع پشته رسوبی (hm) و حداکثر عمق آبشستگی (ds) افزایش می‌یابد. در اثر جریان‌های ثانویه،  ds در انتهای قوس به اندازه قطر نازل (do1) از ds برای جت در شروع قوس بزرگ‌تر می‌باشد. هم‌چنین برای 36000 < Rj، توسعه آبشستگی در جهت جت (ys/B) می‌تواند موجب انسداد کانال شود که برای 121/0 > Ff  انسداد کانال محتمل‎‌تر می‌باشد. یافته‌ها نشان می‌دهد با افزایش نسبت سرعت جریان فلوم به سرعت جت (r) ، توسعه پروفیل آبشستگی در جهت جریان فلوم (xs/do) افزایش می‌یابد و می‌تواند تا do100پیشروی داشته باشد. برای 06/0 > r ، با کاهش سرعت جریان فلوم، ys/B  افزایش می یابد و برای 06/0 < r ، افزایش سرعت جریان فلوم موجب گسترش پیشروی جت در عرض کانال می شود. علاوه بر این، 06/0 = r  به عنوان نقطه‌ای با کم‌ترین تاثیر جت وارده بر کانال معرفی شد که می‌تواند در طراحی تخلیه فاضلاب‌ها مورد استفاده قرار گیرد. در پایان نیز روابطی با دقت قابل قبول برای پیش‌بینی پروفیل آبشستگی در طول و عرض فلوم ارائه گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of Scour by Turbulent Wall Jets in Flowing Water

نویسندگان [English]

  • Meysam Nouri 1
  • Rasool Ilkhanipour Zeynali 1
  • Amir Hossein Azimi 2
1 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Urmia University, Urmia, Iran.
2 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Lakehead, Thunder Bay, Canada.
چکیده [English]

In the present study, scour development by wall jets in flowing water in a 90o bend was investigated. To study the secondary flows effect, two different locations for the jet on the outer wall of the bend were considered (1) the beginning of the bend (0o) and (2) the end of the bend (90o). The studied parameters are the flume Froude number (Ff), the jet Reynolds number (Rj), and the jet submergence rate (H/do). The results showed that under the influence of the flume flow, the jet trajectory and the scour profile are deflected to the flume flow direction. With increasing Rj, mound height (hm) and the max scour depth (ds) increase. Due to the secondary currents effect, ds at the end of the bend is as much as the nozzle diameter (1do) greater than ds for the jet at the beginning of the bend. Also, for Rj > 36000, the scour development in the jet direction (ys/B) can make a choking in the flume that for Ff < 0.121, the flume choking is more likely. The findings show that with increasing the ratio of the flume flow velocity to the jet velocity (r), the scour profile development in the flume flow direction (xs/do) increases and can reach 100do. For r < 0.06, with decreasing the flume velocity, ys/B increases and for r > 0.06, increase in the Flume velocity causes an increase in the scour development in the width of the flume. Furthermore, r = 0.06, was introduced as a point with the minimum effect of the jet on the flume, which can be utilized in the design of wastewaters discharge. Finally, some equations with acceptable accuracy were developed to estimate the scour profile development in the length and width of the flume.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wall jet
  • Submerged Jet
  • Turbulent Flow
  • Channel bend
  • Local Scour
Ayoub, G. M. (1971). Dispersion of buoyant jets in a flowing ambient fluid. PhD thesis, Department of Civil Engineering, Imperial College of Science Technology, London, England.
Bey, A., Faruque, M., & Balachandar, R. (2007). Two-dimensional scour hole problem: Role of fluid structures. Journal of Hydraulic Engineering, 133(4), 414-430.
Chiew, Y.-M., & Lim, S.-Y. (1996). Local scour by a deeply submerged horizontal circular jet. Journal of Hydraulic Engineering, 122(9), 529-532.
Ead, S., & Rajaratnam, N. (2002). Plane turbulent wall jets in shallow tailwater. Journal of engineering mechanics, 128(2), 143-155.
Eriksson, J. (2003). Experimental studies of the plane turbulent wall jet. technical report from Royal institute of technology, S-100 44 stockholm, Sweden.
Eriksson, J., Karlsson, R., & Persson, J. (1998). An experimental study of a two-dimensional plane turbulent wall jet. Experiments in fluids, 25(1), 50-60.
Faruque, M., Sarathi, P., & Balachandar, R. (2006). Clear water local scour by submerged three-dimensional wall jets: Effect of tailwater depth. Journal of Hydraulic Engineering, 132(6), 575-580.
Iwane, T., Urase, T., & Yamamoto, K. (2001). Possible impact of treated wastewater discharge on incidence of antibiotic resistant bacteria in river water. Water Science and Technology, 43(2), 91-99.
Launder, B., & Rodi, W. (1983). The turbulent wall jet measurements and modeling. Annual review of fluid mechanics, 15(1), 429-459.
Lee, C.-H., Xu, C., & Huang, Z. (2019). A three-phase flow simulation of local scour caused by a submerged wall jet with a water-air interface. Advances in Water Resources, 129, 373-384.
Lee, J. H.-w., Chu, V., & Chu, V. H. (2003). Turbulent jets and plumes: A Lagrangian approach (Vol. 1): Springer Science & Business Media.
Nemati, S & Mehraein, M. (2019). Effects of the location of the nozzle on scour due to wall jets. Hydraulic journal, 142 (2). (In Persian).
Rajaratnam, N., & Berry, B. (1977). Erosion by circular turbulent wall jets. Journal of Hydraulic Research, 15(3), 277-289.
Sarathi, P., Faruque, M., & Balachandar, R. (2008). Influence of tailwater depth, sediment size and densimetric Froude number on scour by submerged square wall jets. Journal of Hydraulic Research, 46(2), 158-175.
Shields, A. (1936). Application of similarity principles and turbulence research to bed-load movement. California Institute of Technology , Pasadena, CA.
Si, J.H., Lim, S.Y., & Wang, X.K. (2019). Jet-Flipping in Scour Hole Downstream of Unsubmerged Weir with Apron. Journal of Hydraulic Engineering, 145(10), 04019035.
Si, J.H., Lim, S.Y., & Wang, X.K. (2020). Evolution of flow fields in a developing local scour hole formed by a submerged wall jet. Journal of Hydraulic Engineering, 146(6), 04020040.
Tachie, M., Balachandar, R., & Bergstrom, D. (2004). Roughness effects on turbulent plane wall jets in an open channel. Experiments in fluids, 37(2), 281-292.
Verhoff, A. (1963). The two-dimensional, turbulent wall jet with and without an external free stream. Report number .626, Office of Naval Research Department of the Navy Contract Nonr 1858(14) in Co-operation with Bureau of Naval Weapons.
Xie, C, & Lim, S.Y. (2015). Effects of jet flipping on local scour downstream of a sluice gate. Journal of Hydraulic Engineering, 141(4), 04014088.
Yan, X., Mohammadian, A., & Rennie, C. D. (2020). Numerical modeling of local scour due to submerged wall jets using a strict vertex-based, terrain conformal, moving-mesh technique in OpenFOAM. International Journal of Sediment Research, 35(3), 237-248.
Zhao, P., Yu, G., & Zhzng, M. (2019). Local scour on noncohesive beds by a submerged horizontal circular wall jet. Journal of Hydraulic Engineering, 145(9), 06019012.